原位像素级磁编程3D打印技术，开启软微型机器人多功能医疗应用新时代

研究背景

胃肠道疾病的治疗一直面临着传统给药方式的诸多局限，如药物在靶向部位浓度低、释放缺乏特异性、在体内滞留时间短等，导致治疗效果不理想。磁控微型机器人因其具有非接触驱动、可穿透深层组织以及无辐射等优势，成为体内靶向给药的理想选择。然而，现有磁机器人的制造方法存在明显不足：模具辅助的预变形磁化方法难以实现复杂的变形；一些新兴的定制化制造方法，如直接墨水写入时的喷嘴磁化、激光诱导局部再磁化等，虽能在一定程度上控制机器人各部件的剩磁，但缺乏均匀且高精度的三维磁场，限制了磁机器人的功能复杂性和变形精度。为此，本研究开发了原位像素级磁编程3D打印技术，旨在突破现有制造技术的瓶颈。

研究内容

1. 原位像素级磁编程 3D打印平台

该平台将三维均匀磁场发生器与基于图像投影的光聚合3D打印机相结合。其中，三维磁场发生器由两个平行放置的强钕铁硼永磁体组成，通过步进电机实现同步旋转（旋转角度为 α），并整体安装在水平旋转板上绕Z轴产生水平旋转角度γ，以此生成大范围、均匀的编程磁场B_Pro(θ,γ)。当磁铁从α=0°旋转至360°时，产生的磁场会随之反向旋转，其角度θ从0°变化至360°，结合水平旋转角度γ，可实现对编程磁场的精准三维控制。打印材料为均匀混合了预磁化钕铁硼微粒的光固化树脂。在打印过程中，首先通过磁场发生器将编程磁场调整至指定方向，使前驱体树脂中的磁颗粒按此方向排列，随后投影UV图像固化选定的像素，从而锁定磁颗粒的排列方向。通过重复这一过程，可对每个像素的剩磁方向进行单独编程，经逐层固化后，最终得到具有像素级磁编程的3D结构。该平台所产生的三维编程磁场具有优异的强度和均匀性，在3 cm×3 cm 的方形区域内，编程磁场的平均强度达50 mT，足以满足磁编程过程中颗粒排列的需求。

2. 1D条状磁性机器人的设计与功能

针对狭长且弯曲的肠道环境，1D 条状磁性机器人通过精准调控不同部位磁矩密度的θ方向，实现了在均匀驱动磁场作用下的可编程多曲线变形。研究提出的关键节点拼接磁化方法，基于多曲线变形中的应力分布，在X-Z坐标系下，将复杂的多曲线分解为多个简单的悬臂段。通过选择合适的悬臂类型、旋转速率以及驱动磁场的变化，可组合出复杂的多曲线形状。利用该方法制备的1D条状磁性机器人展现出丰富的运动模式，如在旋转磁场的作用下实现海豚式波动和甲虫式滚动，在脉冲磁场作用下实现毛毛虫式的前后爬行。

3. 2D膜状磁性机器人的设计与功能

为适应胃、膀胱等存在气-液混合环境的较大封闭空间，研究开发了带有爪子的2D膜状磁性机器人。与1D机器人采用的面内光固化方法不同，2D膜状机器人通过在垂直于γ平面的方向上光固化像素，并逐步旋转的θ角，产生了可精确控制的扭转变形。这些2D膜状机器人能够实现滚动、爬行、越障和推进等多种变形和功能。在胃模型中，它们可借助滚动、抓爪和越障等变形在有沟槽的表面移动；在水下，通过施加4 Hz的脉冲磁场，能像章鱼一样游动和转向，速度达0.6 cm/s。

4. 3D螺旋胶囊机器人的设计与功能

3D螺旋胶囊机器人拥有两个位置相对的薄壁腔体和覆盖在表面的螺纹结构。利用原位像素级编程打印平台的三维空间磁化技术，使两个腔体反向磁化，从而在外部磁场作用下产生独立的挤压变形，而螺纹线则被磁化至与腔体磁化方向垂直，可通过旋转磁场单独控制其旋转运动。在兔体内实验中，该机器人经口服携带药物液滴进入胃部，在外部磁驱动下实现了螺旋推进、侧向滚动和转向等多模式运动。到达目标部位后，在脉冲作用下通过挤压变形实现了精准的药物释放，且最终能被安全排出体外。

全文总结

本研究通过原位像素级磁编程3D 打印技术，成功制备出1D、2D和3D多种类型的磁机器人，这些机器人凭借其多样的运动模式和功能，能够适应不同的体内环境并完成复杂任务。与传统制造技术相比，该方法将体素级的几何形状和磁化特性整合到一个自动化平台中，减少了人工劳动，提高了制造效率，尤其适用于复杂3D 磁响应机器人的制备。未来通过进一步提升磁编程轮廓与结构的精度、优化生物相容性，并增强制造方法的可扩展性，该技术有望推动相关领域实现重大突破，为医疗领域带来更多创新性应用。

北京航空航天大学机械工程及自动化学院陈华伟教授为论文通讯作者，博士生赵松和张力文副教授为论文共同第一作者，北京航空航天大学为第一/通讯单位。此研究得到国家重点研究计划(No.2025YFC3408703)、国家自然科学基金（Nos. U2441273, T2121003）、科学探索奖、中央高校基础研究基金等项目资助。

来源：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0734